RU2400949C1 - Device for directing beam of electrons accelerated in betatron onto target - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for directing a beam of electrons accelerated in a betatron onto a target has two groups of windings which are symmetrical about the plane of symmetry of the betatron. Each group includes a ring bias winding which is coaxial with the betatron and a sector emission winding. The middle of the said sector winding is diametrically opposite the target. The said sector winding is formed by several coils which are made in form of annular sectors uniformly distributed in an angle stretching 180°, are connected in parallel and are connected to their own power supply.

EFFECT: shorter duration of the radiation pulse with retention of minimum dimensions of the focal spot.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и используется для сброса пучка заряженных частиц на мишень.The invention relates to accelerator technology and is used to dump a beam of charged particles onto a target.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для сброса пучка ускоренных в бетатроне электронов на мишень (А.А.Воробьев, В.А.Москалев. «Сильноточный бетатрон и стереобетатрон», М., Атомиздат, 1969 г., стр.43-56), содержащее расположенные симметрично над и под средней плоскостью бетатрона кольцевую обмотку смещения и секторную обмотку сброса, середина которой диаметрально противоположна мишени. Азимутальная протяженность секторной обмотки сброса 120°.Closest to the proposed device is a device for dropping a beam of electrons accelerated in a betatron to a target (A.A. Vorobyov, V.A. Moskalev. "High-current betatron and stereobetatron", M., Atomizdat, 1969, pp. 43-56 ), containing an annular bias winding and a sector relief winding located symmetrically above and below the middle plane of the betatron, the middle of which is diametrically opposite to the target. The azimuthal length of the sectoral discharge winding is 120 °.

Сильноточный бетатрон с энергией ускорения 25-30 МэВ, предназначенный для скоростной рентгеновской съемки быстропротекающих процессов, должен генерировать короткий импульс излучения. Для этого используют комбинированный способ смещения, осуществляющий сброс ускоренных электронов на мишень в два этапа.A high-current betatron with an acceleration energy of 25-30 MeV, designed for high-speed X-ray photography of fast processes, should generate a short radiation pulse. To do this, use the combined displacement method, which dumps accelerated electrons to the target in two stages.

В конце цикла ускорения в кольцевые обмотки смещения подаются импульсы тока, которые нарушают бетатронное соотношение и радиус равновесной орбиты увеличивается. При достижении необходимой величины радиуса равновесной орбиты в секторные обмотки сброса подаются импульсы тока, приводящие к резкому азимутальному нарушению магнитного поля на орбите, что вызывает сброс электронов на мишень (сброс электронов производится на внешнюю мишень). В данном бетатроне обеспечивается формирование импульса излучения длительностью не более 0,2·10^-6 сек при энергии ускоренных электронов 25-30 МэВ.At the end of the acceleration cycle, current pulses are fed into the annular bias windings, which violate the betatron ratio and the radius of the equilibrium orbit increases. Upon reaching the required radius radius of the equilibrium orbit, current pulses are fed into the sector windings of the discharge, leading to a sharp azimuthal disturbance of the magnetic field in the orbit, which causes the discharge of electrons to the target (electrons are dumped to an external target). This betatron provides the formation of a radiation pulse with a duration of not more than 0.2 · 10 ^-6 sec at an accelerated electron energy of 25-30 MeV.

Для просвечивания объектов с большой оптической толщиной и большими скоростями движения требуется получить еще более короткий импульс излучения.To shine through objects with a large optical thickness and high speeds of motion, an even shorter radiation pulse is required.

Данное изобретение позволило решить задачу формирования импульса тормозного излучения минимальной длительности при сохранении минимальных размеров фокального пятна.This invention allowed to solve the problem of generating a bremsstrahlung pulse of minimum duration while maintaining the minimum size of the focal spot.

Техническим результатом являлось уменьшение длительности импульса излучения при сохранении минимальных размеров фокального пятна.The technical result was to reduce the duration of the radiation pulse while maintaining the minimum size of the focal spot.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для сброса пучка ускоренных в бетатроне электронов на мишень, содержащем обмотки, которые разбиты на две группы, симметричные относительно плоскости симметрии бетатрона, в каждую группу входят расположенная соосно с бетатроном кольцевая обмотка смещения и секторная обмотка сброса, середина которой диаметрально противоположна мишени, новым является то, что секторная обмотка сброса образована несколькими витками в виде кольцевых секторов, равномерно распределенными в угле протяженностью 180°, соединенных параллельно и подсоединенных к своему источнику питания.The technical result is achieved by the fact that in the device for dropping a beam of electrons accelerated in a betatron onto a target containing windings that are divided into two groups symmetrical with respect to the plane of symmetry of the betatron, each group includes an annular displacement winding coaxial with the betatron and a sector reset winding, middle which is diametrically opposite to the target, new is that the sectoral discharge winding is formed by several turns in the form of ring sectors, uniformly distributed in the corner nnosti 180 °, connected in parallel and connected to its power source.

Кроме того, каждый кольцевой сектор выполнен в виде двух отрезков, размещенных по концентрическим дугам окружностей с радиусами R₁<R₂ и R₂>R₀, где R₀ - радиус равновесной орбиты, соединенных радиальными перемычками, причем участок каждой перемычки, примыкающий к дуге большего радиуса, выполнен плоским, а участок, примыкающий к дуге меньшего радиуса, располагается вдоль конической поверхности, а угол между плоским участком и образующей конической поверхности составляет 120°-150°.In addition, each annular sector is made in the form of two segments placed along concentric arcs of circles with radii R ₁ <R ₂ and R ₂ > R ₀ , where R ₀ is the radius of the equilibrium orbit connected by radial bridges, and the section of each bridge adjacent to the arc of a larger radius is made flat, and the section adjacent to the arc of a smaller radius is located along the conical surface, and the angle between the flat section and the generatrix of the conical surface is 120 ° -150 °.

Бетатронные установки, для которых разрабатывается данное устройство, предназначены для регистрации быстропротекающих процессов со скоростями порядка 10 км/сек в объектах с большой оптической толщиной, для чего требуется мощный источник тормозного излучения с длительностью импульса меньше 100 нсек и минимальными размерами фокусного пятна. Реализация совокупности требуемых параметров является сложной технической задачей. В частности, применяются ускорители с энергией ускоренных электронов порядка 100 МэВ, а чем выше энергия ускоренных электронов, тем труднее осуществить их быстрый сброс на мишень.The betatron installations for which this device is being developed are designed to register fast-moving processes with speeds of the order of 10 km / s in objects with a large optical thickness, which requires a powerful source of bremsstrahlung with a pulse duration of less than 100 nsec and minimal focal spot sizes. The implementation of the totality of the required parameters is a complex technical task. In particular, accelerators with accelerated electron energies of the order of 100 MeV are used, and the higher the energy of accelerated electrons, the more difficult it is to quickly transfer them to the target.

Предлагаемое устройство сброса ускоренных электронов на мишень обеспечивает формирование импульса излучения с длительностью порядка 50 нсек за счет существенного уменьшения индуктивности обмотки сброса, причем геометрия обмотки сброса подобрана так, что сечение пучка, а следовательно, размеры фокального пятна не увеличиваются.The proposed device for dumping accelerated electrons to the target provides the formation of a radiation pulse with a duration of about 50 nsec due to a significant decrease in the inductance of the discharge winding, and the geometry of the discharge winding is selected so that the beam cross section and, therefore, the size of the focal spot do not increase.

Выполнение каждого кольцевого сектора в виде двух отрезков, размещенных по концентрическим дугам окружностей с радиусами R₁<R₂ и R₂>R₀, где R₀ - радиус равновесной орбиты, соединенных радиальными перемычками, где участок каждой перемычки, примыкающий к дуге большего радиуса, выполнен плоским, а участок, примыкающий к дуге меньшего радиуса, располагается вдоль конической поверхности, а угол между плоским участком и образующей конической поверхности составляет 120°-150°, позволяет обогнуть ускорительную камеру и соединить дуги с радиусами R₁ и R₂ по наименьшему расстоянию.The execution of each annular sector in the form of two segments placed along concentric arcs of circles with radii R ₁ <R ₂ and R ₂ > R ₀ , where R ₀ is the radius of the equilibrium orbit connected by radial bridges, where the section of each jumper adjacent to an arc of a larger radius made flat, and the section adjacent to the arc of a smaller radius, is located along the conical surface, and the angle between the flat section and the generatrix of the conical surface is 120 ° -150 °, allows you to go around the accelerator chamber and connect the arcs with radii R ₁ and R ₂ at the smallest distance.

Таким образом, уменьшение геометрических размеров витков, составляющих секторную обмотку, и их параллельное подключение к источнику импульсного питания приводит к уменьшению индуктивности обмотки и вследствие этого к уменьшению времени сброса пучка электронов на мишень и уменьшению длительности рентгеновского импульса.Thus, a decrease in the geometric dimensions of the turns making up the sector winding and their parallel connection to a pulse power supply leads to a decrease in the inductance of the winding and, as a result, to a decrease in the time of discharge of the electron beam to the target and a decrease in the duration of the x-ray pulse.

Выбор протяженности секторной обмотки, равной 180°, обеспечивает эффективное возбуждение первой азимутальной гармоники магнитного поля системы сброса, а именно эта гармоника обеспечивает реализацию выбранного способа сброса электронов на мишень.The choice of the length of the sector winding equal to 180 ° ensures the effective excitation of the first azimuthal harmonic of the magnetic field of the ejection system, namely this harmonic provides the implementation of the selected method of ejection of electrons to the target.

На фиг.1 показано поперечное сечение электромагнита бетатрона с системой сброса пучка ускоренных электронов на мишень.Figure 1 shows a cross section of a betatron electromagnet with a system for dumping a beam of accelerated electrons onto a target.

1 - первая катушка кольцевой обмотки смещения;1 - the first coil of the annular bias winding;

2 - вторая катушка кольцевой обмотки смещения;2 - the second coil of the annular bias winding;

3 - секторная обмотка сброса;3 - sector winding reset;

4 - мишень;4 - target;

5 - витки секторной обмотки;5 - turns of a sector winding;

6 - коаксиальные выводы секторных обмоток сброса;6 - coaxial conclusions of the sector discharge windings;

7 - коаксиальные выводы кольцевых обмоток смещения;7 - coaxial findings of the annular bias windings;

8 - корпус электромагнита;8 - electromagnet housing;

9 - бетатронная обмотка;9 - betatron winding;

10 - ускорительная камера.10 - accelerator chamber.

На фиг.2 и фиг.3 показана секторная обмотка (вид Б-Б и В-В).In Fig.2 and Fig.3 shows a sector winding (view BB and BB).

Заявляемое устройство для сброса пучка ускоренных в бетатроне электронов на мишень содержит обмотки, которые разбиты на две группы, симметричные относительно плоскости симметрии бетатрона, в каждую группу входят расположенная соосно с бетатроном кольцевая обмотка смещения, образованная двумя катушками 1 и 2, и секторная обмотка сброса 3, середина которой диаметрально противоположна мишени 4. Секторная обмотка сброса 3 образована несколькими витками 5 в виде кольцевых секторов, равномерно распределенными в угле протяженностью 180°, соединенных параллельно и подсоединенных к своему источнику питания (не показан) с помощью коаксиальных выводов 6.The inventive device for dumping a beam of electrons accelerated in a betatron onto a target contains windings that are divided into two groups symmetrical with respect to the plane of symmetry of the betatron, each group includes an annular bias winding coaxially with the betatron formed by two coils 1 and 2, and a sector reset winding 3 , the middle of which is diametrically opposite to the target 4. Sectoral discharge winding 3 is formed by several turns 5 in the form of annular sectors uniformly distributed in an angle of 180 ° nnyh parallel and connected to its power source (not shown) via coaxial pins 6.

В примере конкретного выполнения рассмотрим заявляемую систему сброса пучка ускоренных электронов на мишень для безжелезного бетатрона. Показанный на фиг.1 электромагнит безжелезного бетатрона на 70 МэВ с радиусом равновесной орбиты 230 мм содержит корпус 8 из стеклопластика, в котором размещена бетатронная обмотка 9, образованная двумя плоскими спиральными катушками и соленоидом между ними. В пространстве между плоскими спиральными катушками, образующими полюса электромагнита, расположена тороидальная ускорительная камера 10. На внутренней стенке ускорительной камеры расположена мишень 4 (R_м=180 мм). В каждой группе кольцевая обмотка смещения системы сброса образована двумя катушками, одна из которых 1 расположена на внешней стороне корпуса электромагнита, а вторая 2 - на корпусе электромагнита у плоскости симметрии. Катушки кольцевой обмотки смещения содержат по три витка и соединены между собой последовательно и через коаксиальные выводы 7 подсоединены к источнику питания. Секторная обмотка системы сброса 3 в каждой из групп расположена на внутренней стороне корпуса электромагнита и имеет азимутальную протяженность 180°. Витки секторной обмотки 5 системы сброса выполнены высоковольтным кабелем без оплетки в виде четырех кольцевых секторов. Выводы каждого из кольцевых секторов выполнены коаксиальным кабелем и подсоединены к источнику питания параллельно. Угол между плоским участком и образующей конической поверхности кольцевого сектора составляет 135°. В данном бетатроне при использовании заявляемой системы сброса реализовано формирование импульса излучения с длительностью порядка 50 нсек на полувысоте.In an example of a specific implementation, we consider the inventive system for dumping a beam of accelerated electrons on a target for an ironless betatron. The electromagnet of a 70 MeV iron-free betatron with a radius of equilibrium orbit of 230 mm shown in FIG. 1 contains a fiberglass housing 8 in which a betatron winding 9 is placed, formed by two flat spiral coils and a solenoid between them. In the space between the planar spiral coils forming the poles of the electromagnet, there is a toroidal accelerator chamber 10. On the inner wall of the accelerator chamber there is a target 4 (R _m = 180 mm). In each group, the annular bias winding of the reset system is formed by two coils, one of which 1 is located on the outer side of the electromagnet housing, and the second 2 is on the electromagnet housing near the plane of symmetry. The coils of the annular bias winding contain three turns and are interconnected in series and are connected to a power source through coaxial terminals 7. The sector winding of the reset system 3 in each of the groups is located on the inner side of the electromagnet housing and has an azimuthal length of 180 °. The turns of the sector winding 5 of the reset system are made by a high-voltage cable without braid in the form of four ring sectors. The findings of each of the ring sectors are made with a coaxial cable and connected to a power source in parallel. The angle between the flat section and the generatrix of the conical surface of the annular sector is 135 °. In this betatron, using the inventive reset system, the formation of a radiation pulse with a duration of about 50 nsec at half maximum is implemented.

Предлагаемое устройство сброса работает следующим образом. Когда энергия электронов в бетатроне достигает максимального значения, включается блок питания кольцевых обмоток смещения, в обмотках возникает нарастающий импульс тока, возбуждающий магнитное поле, что приводит к уменьшению радиуса равновесной орбиты. При этом орбиты электронов смещаются к мишени. При достижении максимума тока в кольцевой обмотке смещения включается блок питания секторной обмотки сброса, в ней возбуждается импульс тока, генерирующий магнитное поле, конфигурация которого определяется геометрией обмотки. Взаимодействие электронов с данным магнитным полем приводит к возбуждению первой гармоники вынужденных колебаний, в результате чего электроны сбрасываются на мишень. Выполнение секторной обмотки сброса описанным выше способом обеспечивает формирование фокального пятна с минимальными размерами.The proposed reset device operates as follows. When the electron energy in the betatron reaches its maximum value, the power supply unit of the annular bias windings is turned on, an increasing current pulse appears in the windings, exciting the magnetic field, which leads to a decrease in the radius of the equilibrium orbit. In this case, the electron orbits are shifted to the target. When the maximum current is reached in the annular bias winding, the power supply of the sector reset winding is turned on, a current pulse is generated in it, generating a magnetic field, the configuration of which is determined by the geometry of the winding. The interaction of electrons with this magnetic field leads to the excitation of the first harmonic of the forced oscillations, as a result of which the electrons are dumped onto the target. Performing a sector reset winding in the manner described above ensures the formation of a focal spot with a minimum size.

Claims (2)

1. Устройство для сброса пучка ускоренных в бетатроне электронов на мишень, содержащее обмотки, которые разбиты на две группы, симметричные относительно плоскости симметрии бетатрона, в каждую группу входят расположенная соосно с бетатроном кольцевая обмотка смещения и секторная обмотка сброса, середина которой диаметрально противоположна мишени, отличающееся тем, что секторная обмотка сброса образована несколькими витками в виде кольцевых секторов, равномерно распределенными в угле протяженностью 180°, соединенными параллельно и подсоединенными к своему источнику питания.1. A device for dumping a beam of electrons accelerated in a betatron onto a target containing windings that are divided into two groups symmetrical with respect to the plane of symmetry of the betatron, each group includes an annular bias winding coaxial with the betatron and a sector reset winding, the middle of which is diametrically opposite to the target, characterized in that the sectoral discharge winding is formed by several turns in the form of annular sectors uniformly distributed in an angle of 180 °, connected in parallel and under Connections to your power source. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый кольцевой сектор выполнен в виде двух отрезков, размещенных по концентрическим дугам окружностей с радиусами R₁<R₂ и R₂>R₀, где R₀ - радиус равновесной орбиты, соединенных радиальными перемычками, причем участок каждой перемычки, примыкающий к дуге большего радиуса, выполнен плоским, а участок, примыкающий к дуге меньшего радиуса, располагается вдоль конической поверхности, а угол между плоским участком и образующей конической поверхности составляет 120-150°. 2. The device according to claim 1, characterized in that each annular sector is made in the form of two segments placed along concentric arcs of circles with radii R ₁ <R ₂ and R ₂ > R ₀ , where R ₀ is the radius of the equilibrium orbit connected by radial bridges, and the section of each bridge adjacent to the arc of a larger radius is made flat, and the section adjacent to the arc of a smaller radius is located along the conical surface, and the angle between the flat section and the generatrix of the conical surface is 120-150 °.

Images